Introducción
Las bombas de calor se están expandiendo rápidamente como un medio eficaz para prevenir el calentamiento global y promover la neutralidad de carbono, ya que son equipos de calefacción que pueden reemplazar los equipos de combustión de combustibles fósiles. Si bien la eficiencia de las bombas de calor ha mejorado, su aumento se ha ralentizado. Para mejorar aún más la eficiencia de las bombas de calor, el uso de transferencia y almacenamiento de calor eficientes, además de mejorar la eficiencia del propio equipo, puede proporcionar refrigeración y calefacción eficientes, así como suministro de agua caliente cuando se necesita y con la cantidad deseada.
Ventajas del almacenamiento de calor
El almacenamiento de calor consiste en almacenar energía térmica, y las superficies terrestres y acuáticas pueden considerarse materiales de gran capacidad para almacenar calor, ya que almacenan energía solar y atmosférica. El almacenamiento de calor ofrece numerosas ventajas, como las siguientes:
La capacidad de los equipos fuente de calor se puede reducir, y es posible compensar el desequilibrio temporal del uso de calor, gracias al uso de una gran cantidad de calor, que se almacena con una pequeña capacidad, en el momento de máxima demanda.
El consumo de electricidad se puede nivelar entre la noche y el día gracias al almacenamiento de calor mediante el uso de electricidad durante la noche, cuando el consumo de electricidad es bajo, y al uso del calor durante el funcionamiento diurno para reducir el consumo de electricidad.
Se logra un funcionamiento eficiente gracias al aprovechamiento de la diferencia de temperatura entre el día y la noche, así como al almacenamiento de calor. Por ejemplo, en verano, cuando la temperatura es más baja por la noche que durante el día, el calor generado por el hielo se almacena eficientemente y se utiliza para enfriar durante el día, reduciendo la temperatura de condensación y garantizando un funcionamiento eficiente.
Se puede mejorar el confort gracias a la instalación de un acumulador de calor en la unidad exterior de la bomba de calor. Por ejemplo, el calor puede aprovecharse para evitar que la temperatura ambiente baje durante la calefacción debido a la descongelación y para expulsar aire caliente rápidamente al iniciar la calefacción.
El uso de energías renovables, como la solar, la geotérmica y el calor residual de las fábricas, es cada vez más sencillo gracias al uso de almacenamiento de calor.
Tipos de almacenamiento de calor
Existen varios métodos de almacenamiento de calor.
El almacenamiento de calor sensible es un método que almacena energía térmica aprovechando los cambios de temperatura en líquidos como el agua y sólidos como ladrillos y hormigón, y es ampliamente utilizado. Por ejemplo, el método de almacenamiento de calor sensible con agua se utiliza en bombas de calor aire-agua (ATW) para calentar agua y calefacción. Si tomamos como ejemplo los edificios de hormigón, sus techos, suelos, paredes, etc., se utilizan como materiales de almacenamiento de calor. Dado que el almacenamiento de calor sensible tiene una densidad de almacenamiento relativamente baja, la cantidad de calor almacenado aumenta al ampliar la diferencia de temperatura del material.
El almacenamiento de calor por cambio de fase o almacenamiento de calor latente es un método de almacenamiento de calor cuya energía térmica se disipa o absorbe al transformarse una sustancia en un sólido o líquido, y presenta una mayor densidad de almacenamiento de calor que el almacenamiento de calor sensible. Un ejemplo de este almacenamiento son los sistemas de aire acondicionado con almacenamiento térmico, que aprovechan el calor latente generado por el cambio de fase del agua y el hielo. Otro ejemplo son los equipos de calefacción que utilizan parafina con una gran cantidad de calor latente como material de almacenamiento de calor para mejorar su rendimiento. Además, los polímeros funcionales de almacenamiento de calor por cambio de fase, resinas con propiedades de almacenamiento de calor, se utilizan como materiales aislantes para la calefacción por suelo radiante en viviendas.
El almacenamiento químico de calor es un método para almacenar y disipar el calor generado por una reacción química que se desencadena cuando el medio de reacción y el material de almacenamiento entran en contacto. Si el medio de reacción y el material de almacenamiento de calor se separan, el estado de almacenamiento de calor puede mantenerse durante un largo periodo. Sin embargo, dado que la temperatura de reacción para generar calor es superior a 200 °C, se están realizando investigaciones y desarrollos (I+D) para aprovechar el calor residual de las fábricas a altas temperaturas.
Sistemas que utilizan almacenamiento de calor
Los sistemas que utilizan almacenamiento de calor se presentan en diversas formas y métodos, como las bombas de calor ATW para calentar agua y calefacción, los sistemas de almacenamiento térmico de hielo y los sistemas de aire acondicionado con almacenamiento térmico en edificios. El desarrollo de sistemas de aprovechamiento del almacenamiento de calor, combinados con el uso de energía solar, geotérmica y de gases de escape de fábricas, también está en pleno desarrollo, y se han publicado numerosos nuevos sistemas de almacenamiento de calor.
Problemas de almacenamiento de calor
El almacenamiento de calor tiene muchas ventajas, pero también presenta desafíos. El primero es la pérdida de calor. El segundo es la diferencia en la temperatura de intercambio de calor entre los períodos de almacenamiento y la extracción de calor, que es necesaria, pero conlleva una disminución de la eficiencia. El tercero es la necesidad de equipos, espacios, etc., para el almacenamiento de calor, como tanques y piscinas. Es importante abordar estos desafíos para que el almacenamiento de calor sea más fácil de usar y más eficaz.
Por ejemplo, para reducir la pérdida de disipación de calor mencionada como primer punto, es importante aislar el contenedor de almacenamiento de calor. Por lo tanto, se han desarrollado diversos materiales de aislamiento térmico, como lana de roca, lana de vidrio, espuma de polietileno, espuma de uretano y aislamiento al vacío. Estos materiales deben ser resistentes al calor, a la humedad, duraderos, etc., además de tener un buen rendimiento de aislamiento térmico. Entre ellos, el material de aislamiento al vacío se considera ideal y se utiliza en tanques de agua caliente, contenedores de almacenamiento de calor y viviendas, debido a su menor espesor y menor costo. El aislamiento térmico de viviendas y edificios también es un aspecto importante relacionado con la carga térmica del aire acondicionado.
Conclusión
La sociedad moderna consume una gran cantidad de energía, y la consiguiente gran cantidad de calor residual está causando el calentamiento global. Como contramedida, es esencial desarrollar un sistema que aproveche la energía generada por el calor residual, además de mejorar la eficiencia energética y reducir el consumo. Las bombas de calor y el almacenamiento de calor son tecnologías que logran estos objetivos, y se prevé una mayor I+D.
Los temas de desarrollo más importantes son la rápida transferencia de calor durante el almacenamiento en un contenedor y su disipación con menores pérdidas, así como una mayor densidad térmica del almacenamiento. Si se logra implementar un sistema de almacenamiento de calor compacto, de gran capacidad y económico, sus aplicaciones se expandirán considerablemente. Si se implementan bombas de calor que utilicen estos sistemas mejorados de almacenamiento de calor, se podrán crear nuevos sistemas, al igual que se han creado vehículos eléctricos y drones con baterías de alta densidad.
Hora de publicación: 28 de junio de 2023
